DE3038111C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Untersuchen eines Objektes mit Ultraschallstrahlen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft gleichfalls eine Anordnung zur Durchführung dieses Verfahrens, die von einem Aufbau gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 3 ausgeht. Die Tatsache, daß dabei die Gewichtsfaktoren zwischen 0 und 1 liegen, bedeutet, daß das Signal, das am wenigstens geschwächt oder am meisten verstärkt wird, grundsätzlich mit einem Gewichtsfaktor 1 multipliziert wird. Ein unterbrochener Sende- oder Empfangskreis bedeu­ tet eine Multiplikation des betreffenden Signals mit dem Gewichtsfaktor 0.

Ein derartiges Verfahren und eine derartige Anordnung sind aus der DE-OS 26 54 280 bekannt. Daraus ist ebenfalls bekannt, daß es wünschenswert ist, die Anzahl der ver­ schiedenen Kombinationen ausgesandter und empfangener Ultraschallstrahlen (Abtastlinien) zu vergrößern, um das Objekt detaillierter darstellen zu können. Da die Anzahl der Wandler je Längeneinheit des Abtastkopfes nicht unbe­ schränkt vergrößert werden kann, werden andere Verfahren benötigt. Eines dieser Verfahren ist in der erwähnten Patentanmeldung beschrieben. Dabei werden abwechselnd gerade und ungerade Anzahlen von Wandlern erregt, so daß die ausgesandten (und empfangenen) Strahlen über jeweils die Hälfte des Mitte-zu-Mitte-Abstands zwischen zwei Wandlern verschoben werden. Dies führt zu einer Ver­ dopplung der Anzahl von Abtastlinien.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Anzahl der Abtastlinien noch beträchtlich weiter zu vergrößern, ohne die Anordnung wesentlich komplizierter zu machen. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Maßnahmen gelöst.

Es sei bemerkt, daß aus der DE-AS 26 18 178 ebenfalls ein Verfahren zur wesentlichen Vergrößerung der Anzahl von Abtastlinien bekannt ist. Dabei werden nacheinander Ultra­ schallstrahlen in einer Richtung senkrecht zur Wandler­ reihe und in einigen verschiedenen Richtungen ausgesandt, die mit der zuerst genannten Richtung einen spitzen Winkel bilden. Von jedem Wandler aus wird also ein fächerförmiger Strahl von Abtastlinien gebildet. Die mit diesen Abtast­ linien gewonnene Information wird auf einem Bildschirm dargestellt, der gemäß einem Muster paralleler Linien abgetastet wird. Es entstehen hierdurch Fehler in der Wiedergabe. Beim Verfahren und bei der Anordnung nach der Erfindung entstehen diese Fehler dadurch nicht, daß mit parallelen Abtastlinien gearbeitet wird.

Weiterhin sei bemerkt, daß aus der DE-OS 28 54 749 ein Verfahren bekannt ist, bei dem mit Hilfe einer Interpola­ tionsschaltung mehrere Bildlinien zwischen zwei aufein­ anderfolgenden Abtastlinien erzeugt werden. Bei diesem Verfahren wird allerdings - im Gegensatz zur Erfindung - nicht die Zahl der verschiedenen Kombinationen ausgesand­ ter und empfangener Ultraschallstrahlen (Abtastlinien) vergrößert. Durch die Interpolation werden zwar mehr Bild­ linien auf dem Bildschirm dargestellt, doch wird der Informationsgehalt eines Bildes nicht größer, weil die Helligkeit der zusätzlichen Bildlinien von den Hellig­ keitspegeln der tatsächlich erzeugten vorangegangenen und nachfolgenden Bildlinien abgeleitet wird. Dadurch ergibt sich keine höhere Auflösung. Diese entspricht nach wie vor dem Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Wandlerele­ menten.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Anordnung,

Fig. 2 eine Darstellung eines Beispiels des erfindungsge­ mäßen Verfahrens,

Fig. 3 ein detaillierteres Blockschaltbild eines Teils der in Fig. 1 dargestellten Anordnung,

Fig. 4 ein detaillierteres Blockschaltbild eines anderen Teils der Anordnung nach Fig. 1.

Die in Fig. 1 äußerst schematisch dargestellte Anordnung enthält einen Abtastkopf 1 mit einer Reihe von N elektroakustischen Wandlern T ₁, T ₂ . . . T _N , beispielsweise aus piezoelektrischem keramischen Werkstoff, die mit je zwei Elektroden versehen sind, von denen eine geerdet und die andere mit einem Schaltorgan 3 verbunden ist, das N elektronische Schalter zum selektiven Verbinden einer Gruppe von M benachbarten Wandlern mit einer Sendeanord­ nung 5 oder einer Empfangsanordnung 7 enthält. Dabei ist M N; im beschriebenen Beispiel ist M = 6 und es gibt sechs Sendesignalleitungen 9 zwischen der Sendeanordnung 5 und dem Schaltorgan 3 sowie sechs Empfangssignallei­ tungen 11 zwischen dem Schaltorgan und der Empfangsanord­ nung 7. Jede Sendesignalleitung 9 bildet mit einem Wandler und mit einem Teil der Sendeanordnung 5 einen Sendekreis, und jede Empfangssignalleitung 11 bildet mit einem Wandler und mit einem Teil der Empfangsanordnung 7 einen Empfangskreis. Die Empfangsanordnung 7 ist weiter­ hin mit einer an sich bekannten Wiedergabeanordnung 13 verbunden, die einen Bildschirm enthält, an dem ein zu untersuchendes Objekt dargestellt wird. Diese Wiedergabe­ anordnung kann auch einen Speicher zum Zwischenspeichern der von der Empfangsanordnung 7 erzeugten Information enthalten.

Das zur Erzeugung einer Abbildung erforderliche Zusammenwirken zwischen dem Schaltorgan 3, der Sendean­ ordnung 5, der Empfangsanordnung 7 und der Wiedergabean­ ordnung 13 wird von einem Hauptsteuerkreis 15 geregelt.

Der allgemeine Aufbau der unterschiedlichen Teile der in Fig. 1 beschriebenen Anordnung ist an sich bekannt (siehe beispielsweise NL-OS 76 08 280 und die DE-AS 26 18 178 und 26 28 492). Sie werden nachstehend daher nur näher beschrieben, soweit dies für ein gutes Verhältnis der Erfindung wichtig ist.

Vor dieser Erläuterung wird jedoch zunächst anhand der Fig. 2 ein Beispiel des Verfahrens nach der Erfindung beschrieben. In Fig. 2 ist ein Teil des Abtastkopfes 1 mit einer vom Schaltorgan 3 ausgewählten Gruppe von sechs benachbarten Wandlern T ₁, T _{i + 1} . . . T _{i + 5} (1 i N - 5) dargestellt. Über die Sendesignalleitungen 9 gelangt an diese sechs Wandler je ein Sendesignal. Alle sechs Sende­ signale haben in diesem Beispiel gleiche Amplitude, mit anderen Worten alle Sendesignale sind mit dem Gewichtsfak­ tor 1 multipliziert und die Anzahl der wirksam zum aus­ gesandten Ultraschallstrahl beitragenden Wandler ist gleich 6 × 1 = 6. Der ausgesandte Strahl ist ein ungefähr paralleler Strahl, dessen Achse 17 senkrecht zur Wandler­ reihe steht und symmetrisch bezüglich der ausgewählten Wandler­ gruppe liegt, also in der Mitte zwischen den Wandlern T _{i + 2} und T _{i + 3}.

Der ausgesandte Ultraschallstrahl trifft ein zu untersuchendes Objekt 19 und wird von akustischen Diskon­ tinuitäten in diesem Objekt zum Teil reflektiert. Es entsteht hierdurch ein reflektierter Strahl, der die Wandler T _i bis T _{i + 5} trifft und darin elektrische Signale erzeugt, die über die Empfangssignalleitungen 11 der Empfangsanordnung 7 zugeführt werden. Diese Empfangskreise sind derart eingerichtet, daß nur diejenigen Signale ver­ arbeitet werden, die aus reflektierten Strahlen herrühren, deren Achsen zur Achse 17 des ausgesandten Strahls paral­ lel sind. Weiter sind nicht alle Gewichtsfaktoren, mit denen die Empfangssignale multipliziert werden, gleich 1, so daß nicht alle sechs Wandler gleichermaßen zum Empfang beitragen. Die Anzahl der wirksam zum Empfang beitragenden Wandler ist also kleiner als 6. In Fig. 2 sind einige Bei­ spiele für eine Anzahl von 5 angegeben.

Im ersten Beispiel ist der Gewichtsfaktor, mit dem das vom Wandler T _{i + 5} erzeugte Signal multipliziert wird, gleich Null und der Gewichtsfaktor, mit dem die anderen Signale multipliziert werden, gleich 1. Nur die Wandler T _i bis T _{i + 4} tragen also wirksam zum Empfang bei, und zwar gleichermaßen. Die Achse 21 des empfangenen Strahls liegt also symmetrisch gegen diese Teilgruppe von fünf Wand­ lern, d. h. er durchsetzt die Mitte des mittleren Wandlers T _{i + 2}. Die Achsen 17 und 21 des ausgesandten bzw. des empfangenen Strahls fallen also nicht zusammen und die Abtastlinie 23 (gestrichelt dargestellt) liegt in der Mitte zwischen diesen beiden Achsen. Die Abtastlinie ist die Symmetrielinie des von der Kombination der erwähnten ausgesandten und empfangenen Strahlen abgeta­ steten Gebietes.

Im zweiten Beispiel ist der Gewichtsfaktor, mit dem das vom Wandler T _i erzeugte Signal multipliziert wird, gleich Null, und der Gewichtsfaktor, mit dem die anderen Signale multipliziert werden, gleich 1. Nunmehr tragen also nur die Wandler T _{i + 1} bis T _{i + 5} gleichmaßen zum Empfang bei. Die Achse 25 des empfangenen Strahls durch­ setzt die Mitte des mittleren Wandlers T _{i + 3} dieser Teil­ gruppe und die Abtastlinie 27 (gestrichelt dargestellt) liegt in der Mitte zwischen dieser Achse und der Achse 17 des ausgesandten Strahls.

Im dritten Beispiel ist der Gewichtsfaktor, mit dem die vom Wandler T _i und T _{i + 5} erzeugten Signale multipliziert werden, gleich ¹/₂, und der Gewichtsfaktor, mit dem die übrigen Signale multipliziert werden, gleich 1. Die Gesamtanzahl der zum Empfang wirksam beitragenden Wandler ist also gleich 4 × 1 + 2 × ¹/₂ = 5 und die Achse des empfangenen Strahls fällt mit der Achse 17 des ausgesandten Strahls zusammen. Auch die Abtastlinie fällt mit der Achse 17 zusammen.

Aus obiger Beschreibung geht hervor, daß ein ausgesandter Strahl (Achse 17) drei verschiedene Abtast­ linien 23, 17, 27 ergibt. Da die Summe der Gewichts­ faktoren in allen drei Fällen die gleiche ist, sind die empfangenen Signale ohne weiteres vergleichbar und auf gleiche Weise weiter verarbeitbar.

Selbstverständlich ist es möglich, dreimal hin­ tereinander einen Strahl mit der Achse 17 auszusenden und aufeinanderfolgend Strahlen mit den Achsen 21, 17 und 25 zu erhalten. Die Abtastung verläuft jedoch wesentlich schneller, wenn nach einem ausgesandten Strahl mit der Achse 17 gleichzeitig die drei Strahlen mit den Achsen 21, 17 und 25 erhalten und verarbeitet werden, wobei die Information nach Bedarf im Speicher der Wiedergabeanord­ nung 13 zwischengespeichert werden kann. Wie in der nach­ stehenden Beschreibung erläutert wird, ist dies mit einer geeigneten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anord­ nung möglich. Dazu ist in Fig. 3 ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels des Eingangsteils der Empfangsanord­ nung 7 dargestellt. Zur Vereinfachung der Figur sind die Empfangssignalleitungen 11 mit sechs Wandlern T _i . . . T _{i + 5} unter Auslassung des in der Wirklichkeit vorhandenen Schaltorgans 3 direkt verbunden dargestellt. Eine jede der Empfangssignalleitungen 11 ist mit einem Vorverstärker verbunden. Diese sechs Vorverstärker sind mit den Bezugs­ ziffern 29, 31, 33, 35, 37 und 39 bezeichnet. Die Vorver­ stärker 29 und 39, die die aus den äußersten Wandlern T _i bzw. T _{i + 5} herrührenden Signale erhalten, sind mit je einem Addierer 41 bzw. 43 sowie mit einem Abschwächer 45 bzw. 47 verbunden. Die übrigen Verstärker 31, 33, 35 und 37 sind mit einem gemeinsamen Addierer 49 verbunden, dessen Ausgang einerseits mit den beiden erstgenannten Addierern 41 und 43 und zum anderen mit einem weiteren Addierer 51 verbunden ist, der gleichfalls mit den Ausgängen der beiden Abschwächer 45 und 47 verbunden ist.

Die beschriebene Schaltung bildet ein Netz von drei Serien aus sechs Empfangskreisen, wobei jede Empfangs­ kreisserie die Signale verarbeitet, die aus den sechs Wandlern herrühren. Die erste Empfangskreisserie schließt sich an den Addierer 41 an und führt der ersten Ausgangs­ leitung 53 ein Ausgangssignal zu, die zweite Serie schließt sich an den Addierer 43 an und führt der Ausgangsleitung 55 ein Ausgangssignal zu, und die dritte Serie schließt sich an den Addierer 51 an und führt der Ausgangsleitung 57 ein Ausgangssignal zu. Die Empfangskreise in der ersten Serie multiplizieren die Signale der Wandler T _i bis T _{i + 4} mit je einem Gewichtsfaktor 1 und die des Wandlers T _{i + 5} mit dem Gewichtsfaktor 0, da der Vorverstärker 39 nicht mit dem Addierer 41 verbunden ist. Auf analoge Weise multiplizieren die Empfangskreise in der zweiten Serie die Signale der Wandler T _{i + 1} bis T _{i + 5} mit dem Gewichtsfaktor 1 und die des Wandlers T _i mit dem Gewichtsfaktor 0. Die Empfangskreise der dritten Serie multiplizieren die Signale der Wandler T _{i + 1} bis T _{i + 4} mit dem Gewichtsfaktor 1 und die der Wandler T _i und T _{i + 5} mit dem Gewichtsfaktor ¹/₂.

In allen Fällen ist also die Summe der Gewichts­ faktoren gleich 5. Die gleichzeitig auf den drei Ausgangs­ leitungen 53, 55 und 57 erscheinenden Ausgangssignale ent­ sprechen den anhand der Fig. 2 beschriebenen drei Strahlen mit den Achsen 21, 25 und 17.

Im beschriebenen Beispiel sind die Gewichtsfak­ toren der beiden Abschwächer 45 und 47 konstant und gleich ¹/₂. Es ist ebenfalls möglich, diese Gewichtsfaktoren regelbar zu machen, wobei ihre Summe immer gleich 1 ist. Die Gewichtsfaktoren sind dabei a bzw. 1 - a, wobei a mit Hilfe eines Bedienorgans (nicht dargestellt) zwischen 0 und 1 vari­ iert werden kann. Wenn diese Variation stetig erfolgt, kann die Achse des empfangenen Strahls stetig von der Achse 21 zur Achse 25 verschoben werden (Fig. 2). Die Anzahl der Abtastlinien ist damit also unbeschränkt. Die Addierer 41 und 43 mit den zugeordneten Ausgangsleitungen 53 und 55 können in diesem Falle entfallen.

Bei den bisher beschriebenen Beispielen wurde davon ausgegangen, daß die ausgesandten und empfangenen Ultraschallstrahlen ebene Wellenfronten parallel zur Wandlerreihe besitzen. Es ist jedoch an sich bekannt, sowohl beim Senden als auch beim Empfangen Strahlen mit gebogenen Wellenfronten zu verwenden, um die Strahlen auf ein ausgewähltes Gebiet zu fokussieren. Wie beispielsweise in der US-PS 39 19 683 ausführlich beschrieben wurde, kann dies dadurch erreicht werden, daß die den Wandlern zuge­ führten elektrischen Signale (beim Senden) oder die von den Wandlern erzeugten elektrischen Signale (beim Em­ pfangen) selektiv verzögert werden. Hierzu müssen in die Sende- und/oder Empfangskreise regelbare Verzögerungs­ elemente aufgenommen werden. Diese können in der Schaltung nach Fig. 3 beispielsweise vor den Vorverstärkern 29 bis 39 in die Empfangssignalleitungen 11 eingefügt werden, indem diese Empfangssignalleitungen an der Stelle der gestrichelten Linie 59 unterbrochen werden.

In Fig. 4 ist schematisch ein Ausführungsbeispiel der Sendeanordnung 5 dargestellt, bei der zur Verein­ fachung das Schaltorgan 3 zwischen den Sendesignalleitungen 9 und den Wandlern T _i . . . T _{i + 5} fortgelassen ist. Die Sende­ anordnung enthält einen Sendesignalgenerator 61, dessen Ausgang mit sechs Verzögerungselementen 63, 65, 67, 69, 71 und 73 verbunden ist. Ein jedes dieser Verzögerungselemente ist wiederum mit einer der sechs Sendesignalleitungen 9 verbunden. Wenn die Verzögerungselemente auf geeignete Weise vom Hauptsteuerkreis 15 aus eingestellt werden, senden die Wandler T _i bis T _{i + 5} einen fokussierten Ultraschallstrahl aus. Bei den in der obigen Beschreibung gegebenen Beispielen wurde immer angenommen, daß ein ausgesandter Strahl (Achse 17, Fig. 2) mit mehr als einem empfangenen Strahl (Achsen 21, 17, 25) kombiniert wird. Selbstverständlich ist es auch möglich, mehr als einen ausgesandten Strahl mit einem oder mehreren empfangenen Strahlen zu kombinieren. Man kann beispielsweise durch geeignete Steuerung des Schaltorgans 3 zunächst die Wandler T _i bis T _{i + 4} und anschließend die Wand­ ler T _{i + 1} bis T _{i + 5} mit der Sendeanordnung 5 verbinden, während mit den Wandlern T _i bis T _{i + 5} empfangen wird. Dabei wird also zunächst mit Gewichtsfaktoren 1, 1, 1, 1, 1, 0 und darauf mit Gewichtsfaktoren 0, 1, 1, 1, 1, 1, ausge­ sandt.

Wenn mit fokussierten Strahlen ausgesandt oder empfangen wird, würden die Achsen der Strahlen einen von 90° abweichenden Winkel mit der Wandlerreihe bilden, wenn die Verteilung der Gewichtsfaktoren gegen die Mitte der Gruppe von M Wandlern nicht symmetrisch ist. Deshalb muß die Steuerung der Verzögerungselemente an die Verteilung der Gewichtsfaktoren angepaßt werden. Wenn beispielsweise bei der Sendeanordnung nach Fig. 4 allen Wandlern T _i bis T _{i + 5} Sendesignale mit gleichem Gewichts­ faktor zugeführt werden, geht die Achse des ausgesandten Strahls durch die Mitte zwischen den Wandlern T _{i + 2} und T _{i + 3}. Deshalb müssen für die Fokussierung die Verzögerungs­ zeiten der Verzögerungselemente 67 und 69 sowie die der Verzögerungselemente 65 und 71 und die der Verzögerungs­ elemente 63 und 73 gleich sein. Wenn jedoch das Signal zum ersten Wandler mit einem Gewichtsfaktor 0 und die Signale zu den übrigen Wandlern mit einem Gewichtsfaktor 1 multipliziert werden, geht die Achse des ausgesandten Strahls durch die Mitte des Wandlers T _{i + 3} und deshalb müssen für die Fokussierung die Verzögerungselemente 67 und 71 sowie die Verzögerungselemente 65 und 73 die gleiche Verzögerungszeit aufweisen. Das Verzögerungselement 69 hat dabei eine eigene Verzögerungszeit.

Es wird klar sein, daß die in obiger Beschrei­ bung gegebenen Beispiele weiter ergänzt werden können. So kann die Zahl M, die die Anzahl der Wandler der ausge­ wählten Gruppe angibt, von sechs abweichen. Auch können kompliziertere Verteilungen der Gewichtsfaktoren über die M Wandler sowohl beim Aussenden als auch beim Empfangen benutzt werden. Das erfindungsgemäße Verfahren ist auch besonders dazu geeignet, bei der vergrößerten Darstel­ lung eines Teils des ursprünglichen Bildes mit gleich­ bleibender Liniendichte, wie in der deutschen Patentan­ meldung (PHN 9 604) der Anmelderin beschrieben, verwendet zu werden.

Claims (4)

1. Verfahren zum Untersuchen eines Objekts mit Hilfe einer Reihe von N elektroakustischen Wandlern, wobei jeweils eine Gruppe von M benachbarten Wandlern (M N) zum Aussenden eines Ultraschallstrahls und zum Empfangen eines von aku­ stischen Diskontinuitäten im Objekt reflektierten Teils dieses Strahls ausgewählt wird, zu welchem Zweck zumindest einem Teil der Gruppe von M Wandlern zunächst ein Sende­ signal zugeführt wird und anschließend zumindest ein Teil der M Wandler in Empfangskreise aufgenommen wird, wobei das für jeden Wandler bestimmte Sendesignal und/oder das von jedem Wandler erzeugte Empfangssignal mit einem zwischen 0 und 1 liegenden Gewichtsfaktor multipliziert wird, dadurch gekennzeichnet, daß für jede Gruppe von M Wandlern der Sendevorgang mit einer bestimmten Kombination der Gewichtsfaktoren mit dem Empfangsvorgang mit zumindest zwei verschiedenen Kombinationen der Gewichtsfaktoren oder umgekehrt verknüpft wird, wobei die Summe der Gewichtsfak­ toren der verschiedenen Kombinationen beim Senden immer einem ersten Wert, die Summe der Gewichtsfaktoren der verschiedenen Kombinationen beim Empfangen immer einem zweiten Wert gleich ist und diese beiden Werte voneinander verschieden sein können.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Senden eines Ultra­ schallstrahls einer Wandlergruppe der Empfang mit zumin­ dest zwei verschiedenen Kombinationen von Gewichtsfaktoren gleichzeitig erfolgt.

3. Anordnung zum Untersuchen eines Objekts mit dem Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, mit einem Abtastkopf mit einer Reihe von N elektroakustischen Wandlern und einem Schaltorgan zum selektiven Verbinden einer Gruppe von M benachbarten Wandlern mit einer Sendeanordnung oder mit einer Empfangsanordnung zur Bildung von Sende- und/oder Empfangskreisen, wobei in jedem dieser Sendekreise und/oder in jedem dieser Empfangskreise Mittel zur Multi­ plikation der durchgehenden Signale mit einem Gewichtsfak­ tor angenommen sind, der zwischen 0 und 1 liegt, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel vorhanden sind, um je Gruppe von M Wandlern (T _i . . . T _{i + 5}) bei einer Kombination der Gewichtsfaktoren in den Sendekreisen verschiedene Kombinationen der Gewichtsfaktoren in den Empfangskreisen oder umgekehrt zu verwirklichen, wobei die Summe der Gewichtsfaktoren der verschiedenen Kombinationen in den Sendekreisen einem ersten Wert und die in den Empfangs­ kreisen einem zweiten Wert gleich ist und diese beiden Werte voneinander verschieden sein können.

4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Gewichtsfaktoren in den Sendekreisen alle gleich 1 sind, wobei die Gewichtsfak­ toren in den Empfangskreisen des ersten (T _i) und des letzten Wandlers (T _{i + 5}) der Gruppe von M Wandlern (T _i . . . T _{i + 5}) gleich a bzw. 1 - a (0 a 1) und die in den übrigen Empfangskreisen gleich 1 sind.